Oleh: Oscar Haris, ST.MT
(Dosen Teknik Mesin Universitas Nusa Putra Sukabumi)
Keramik merupakan salah satu material non ferro yang perannya akhir-akhir ini cukup penting dalam kehidupan sehari-hari. Keramik pertama kali ditemukan pada zaman Yunani kuno, dan pada awalnya bernama keramikos yang artinya suatu bentuk benda dari tanah liat yang telah mengalami proses pembakaran. Keramik pertama kali ditemukan secara tidak sengaja pada zaman pra sejarah, ditemukan oleh manusia primitive, yang pada awalnya keramik dibuat cenderung sebagai wadah. Inspirasi pembuatan wadah tersebut berasal dari pemanfaatan buah-buahan berkulit tebal seperti labu, kelapa dan sebagainya, yang isinya dikeluarkan. Juga dari ruas-ruas pohon bambu, daun-daunan berukuran besar seperti daun pisang, daun talas, dan lainnya. Selain itu juga adanya cekungan bekas telapak kaki pada tanah basah yang digenangi air hujan juga memberi inspirasi, dimana air yang tergenang tersebut dapat bertahan lama bahkan bisa berhari-hari lamanya.
Berdasarkan kondisi tersebut, suatu ketika orang-orang pada saat itu melakukan percobaan memakai keranjang anyaman bambu yang dilapisi tanah liat, sebagai tempat atau wadah cairan, namun wadah semacam ini tidak bisa bertahan lama, dan secara tidak sengaja keranjang tersebut dibuang ke perapian dengan maksud untuk dimusnahkan. Namun yang terjadi keranjangnya musnah, sedang tanah pelapis masih tersisa dan ditemukan mengeras dengan meninggalkan bekas anyaman keranjang tersebut. Dari pengalaman-pengalaman itulah, orang mulai dengan sengaja membentuk tanah liat secara utuh sebagai wadah keperluan sehari-hari, untuk keperluan sehari hari, religi dan keperluan lainnya dan kemudian dibakar sehingga menjadi komposisi material yang keras dan kuat. Keramik sendiri mengalami perkembangan sempurna pada zaman cina kuno dengan dibuatnya keramik putih (porcelain), kemudian lebih kurang pada abad XV keramik dibawa ke Eropa oleh Marcopolo, dan di Eropa seorang berkebangsaan Jerman yaitu Johnn Friedrich Bottger (1682-1719) memproduksi keramik jenis porcelain dengan baik, hasil penemuannya disebut Porcelain Moistener.
Seiring perkembangan zaman keramik pun terus mengalami metamorfosa perkembangan menjadi berbagai jenis produk keramik. Adapun jenis-jenis keramik yang saat ini digunakan dalam kehidupan adalah jenis keramik tradisional dan jenis keramik engineering. Keramik tradisional adalah keramik yang dibuat dengan menggunakan bahan-bahan yang berasal dari alam, dibentuk lalu dibakar. Yang termasuk keramik tradisional adalah barang pecah belah, serta keperluan rumah tangga. Berdasarkan komposisi tanah liat dan suhu pembakarannya keramik tradisional dibedakan menjadi tembikar, gerabah, dan porcelain. Sedang keramik engineering adalah jenis keramik yang tergolong pada penggunaan di bidang engineering. Keramik jenis ini secara teknis, diproses untuk keperluan teknologi tinggi seperti peralatan mobil, listrik, konstruksi, nuklir, kristal optik, keramik metal, keramik medis, keramik multi fungsi, komposit keramik, bioceramic, dan keramik magnit. Sifat khas dari material keramik jenis ini disesuaikan dengan keperluan yang bersifat teknis seperti tahan benturan, tahan gesek, tahan panas, tahan karat, tahan suhu kejut seperti isolator, bahan pelapis dan komponen teknis lainnya. Keramik engineering dihasilkan untuk memenuhi beberapa keperluan daripada aspek ketahanan terhadap temperatur yang tinggi dan bahan kimia, ciri-ciri mekanik dan elektrik yang istimewa. Bahan-bahan ini terbagi kedalam keramik oksida dan keramik bukan oksida. Beberapa contoh keramik oksida ialah alumina (Al2O3), Silika (SiO2), Zirkonia (ZrO2) dan Barium Titanat (BaTiO2). Bahan jenis ini wujud secara alami di dalam batu-batuan dan mineral. Keramik bukan oksida termasuk nitrida (Si3N4,TiN dan BN) dan karbida (SiC, TiC dan B4C). Bahan-bahan ini disintesiskan dengan menggunakan bahan mentah alami atau secara kimia.
Bahan keramik terdiri dari fasa kompleks yang merupakan senyawa unsur metal dan non metal yang terikat secara ionic maupun kovalen. Keramik pada umumnya mempunyai struktur kristalin dan sedikit electron bebasnya. Susunan kimia keramik bermacam-macam yang terdiri dari senyawa yang sederhana hingga campuran beberapa fasa kompleks. Dalam pembuatan keramik dikenal badan keramik triaxial, yaitu keramik yang terbuat berdasarkan tiga komposisi bahan, bahan plastis (clay), bahan pengisi (kwarsa), dan bahan pelebur (feldspar). Bahan plastis adalah bahan yang berfungsi sebagai bahan pengikat dan memberi kemudahan dalam pembentukan keramik pada kondisi mentah, bahan ini biasanya berupa kaolin, bentonite. Bahan pengisi adalah bahan tidak plastis yang berfungsi sebagai bahan pengisi untuk membentuk rangka atau kekuatan, bahan ini bisa berupa kwarsa, grog, alumina. Bahan pelebur adalah bahan tidak plastis yang berfungsi sebagai pelebur yang mengikat bahan pengisi atau rangka pada temperatur tinggi, bahan ini dapat berupa feldspar, kapur dolomit. Selain bahan dasar yang diperlukan untuk pembuatan body, dalam hal pembentukan keramik juga dibutuhkan bahan dasar untuk pembuatan glaze, yang difungsikan sebagai lapisan penutup badan dan penambah kekerasan struktur keramik itu sendiri, yang akan memberikan efek kilap pada permukaan keramik, Adapun jenis-jenis bahan dasar utama pembuatan keramik terdiri dari kaolin, kaolin adalah bahan tambang alam yang merupakan salah satu jenis tanah lempung (clay) dimana tersusun dari mineral utamanya adalah kaolin. Tanah lempung jenis ini berwarna putih keabu-abuan.
Di alam kaolin ini berasal dari dekomposisi feldspar. Sebagai bahan tambang, kaolin bercampur dengan oksida-oksida lainnya seperti kalsium oksida, magnesium oksida, kalium oksida, natrium oksida, besi oksida, dan lain-lain, Kaolin merupakan bahan keramik yang memiliki kekuatan tinggi jika dibakar pada suhu tinggi. Semakin tinggi suhu pembakaran akan meningkatkan kekuatan keramik. Kaolin mempunyai sifat yang khas, yaitu warna putih, kekerasan (skala Mohs) 2 – 2,5, berat jenis 2,60 – 2,63, daya hantar listrik dan panas rendah, belahan sempurna pada satu arah (001), bersifat anisotropik. Kaolin dapat memberikan sifat plastis yang baik sehingga 9 proses pembentukan sangat mudah dilakukan tanpa terjadinya retak sebelum dilakukan proses pembakaran, kemudian bahan dasar keramik berikutnya adalah bentonite, bentonite adalah istilah pada lempung yang mengandung monmorillonit dalam dunia perdagangan dan termasuk kelompok dioktohedral. Penamaan jenis lempung tergantung dari penemu atau peneliti, misal ahli geologi, mineralogi, mineral industri dan lain-lain. Bentonite juga termasuk jenis tanah liat sekunder (sedimen) yang sangat plastis dan berbutir halus sehingga digunakan untuk menambah keplastisan badan keramik.
Dalam glasir mineral ini berfungsi sebagai pengikat, lalu ada lagi bahan dasar Silika atau Silikon dioksida, adalah oksida silicon dengan rumus kimia SiO2 yang telah dikenal sejak zaman dahulu karena kekerasannya. Silika ini paling sering ditemukan di alam sebagai pasir atau kuarsa, Pada umumnya silika adalah dalam bentuk amorf terhidrat, namun bila pembakaran berlangsung terus-menerus pada suhu diatas 650° C maka tingkat kristalinitasnya akan cenderung naik dengan terbentuknya fasa quartz,crystobalite ,dan tridymite, bahan dasar yang berikutnya adalah alumina, aluminium oksida (alumina) adalah senyawa kimia dari aluminium dan oksigen, dengan rumus kimia Al2O3. Secara alami, alumina terdiri dari mineral korondum. Senyawa ini termasuk dalam kelompok bahan aplikasi karena memiliki sifat-sifat yang sangat mendukung pemanfaatannya dalam beragam peruntukan. Senyawa ini diketahui merupakan insulator listrik yang baik, sehingga digunakan secara luas sebagai bahan isolator suhu tinggi, karena memiliki kapasitas panas yang besar. Dan yang yang terakhir adalah feldspar, feldspar dihasilkan dari pelapukan batuan granit dan lava, dimana tanah liat itu terbentuk, feldspar termasuk senyawa alumina silikat yang mengandung satu atau lebih unsur-unsur seperti: K, Na, Ca. Sebagai bahan yang tidak plastis, feldspar sangat penting dalam industri keramik karena dapat berfungsi untuk mengurangi penyusutan pada waktu proses pengeringan, juga berfungsi sebagai flux (peleleh) pada suhu diatas 1200 0C. Titik leburnya antara 1170 0C – 1290 0C.
Seluruh bahan dasar ini akan di proses fabrikasi menjadi satu bentuk kesatuan utuh keramik sesuai kebutuhan dan kegunaanya, dimana proses fabrikasi nya terdiri dari beberapa tahapan utama, yaitu proses pengolahan raw material meliputu proses mixing beberapa bahan dasar yang dicampur air dengan persentasi tertentu didalam alat yang namanaya ball mill sampai terbentuk homogenitas bahan dasar satu sama lain dimana output dari proses ini berupa cairan slip, kemudian cairan slip ini akan di filter untuk membersihkan unsur unsur pengotor yang masih terdapat di dalam slip akibat dari bahan dasar yang proses secara geologi, setelah di filter cairan slip yang terbebas dari unsur pengotor akan dibuang kadar airnya untuk mendapatkan slip padat berupa cake clay, cake clay ini akan di diamkan beberapa hari untuk menguapkan kembali kadar air sehingga kadar air yang tersisa di dalam cake clay sekitar 10 persen setelah itu baru dimasukan kedalam mesin extruder untuk mendapatkan tingkat homogenitas yang tinggi dengan menurunkan kembali kadar air dalam cake clay, output dari mesin extruder ini berupa londrongan clay untuk di proses ke tahapan selanjutnya yaitu machining forming, dalam tahapan ini clay akan dibentuk sesuai kebutuhan dengan menggunakan mesin pembentukan yang sesuai kebutuhan, dibentuk diatas sebuah molding kemudian dilakukan pre heating dengan suhu 55-60 derajat celcius dalam dryer sehingga kadar air yang masih tersisa akan dibuang sampai batas persentasi tertentu yang akan berubah menjadi greeware keramik dan bisa dilepas dari molding, greenware keramik yang telah terbentuk sesuai kebutuhan akan diproses ke tahapan proses selanjutnya yaitu tahapan proses firing di dalam kiln biscuit, dimana didalam kiln ini green ware keramik akan dibakar dalam suhu 800-900 derajat celcius selama dua luluh dua jam sehingga di hasilkan biscuit keramik yang tidak memiliki kadar air, biscuit keramik yang terbentuk akan di proses ke tahapan berikutnya yaitu tahapan glasir, yaitu tahapan dimana biscuit keramik akan di lapisi cairan glaze untuk mendapatkan tingkat kekerasan dan efek termal dan isolator yang baik, biscuit keramik yang telah dilapisi cairan glaze akan dibakar kembali di dalam glos kiln dengan suhu 1200-1400 derajat celcius selama 20-24 jam sehingga nantinya proses ini akan menghasilkan hasil akhir berupa keramik seutuhnya sesuai dengan bentuk dan kegunaan. Untuk mendapatkan bentuk keramik dengan bentuk yang rumit biasanya proses pembentukan nya dilakukan dengan cara di casting/ di cor, menggunakan cairan slip yang dituang ke dalam molding sesuai bentuk yang diinginkan.
Ada beberapa alasan yang mendasari mengapa saat ini keramik dianggap sebagai material pengganti, bebrapa alasan tersebut terkait dengan sifat-sifat yang dimiliki oleh keramik itu sendiri, berdasarkan dari susunan kristal dan senyawa senyawa yang terbentuk dari bahan dasar serta proses fabrikasinya, Adapun sifat dari material keramik terbagi menjadi beberapa sifat, yaitu sifat mekanik, sifat fisik, sifat optik, sifat elektrik,sifat termak. Didalam sifat mekanis, keramik meiliki sifat yang kuat, tahan korosi, kerapatan (densitas) nya rendah, titik lelehnya tinggi, keras, namun getas. Pada sifat fisik, keramik mempunyai sifat salah satu nya yang didasari oleh densitas yang rendah membuat keramik menjadi ringan hal ini memungkinkan keramik memiliki sifat sekeras logam berat, keramik yang keras menjadikan nya tahan terhadap gesekan, dan senyawa aluminum oksida dan silikon karbida merupakan senyawa keramik yang bisa menjadikan keramik memiliki sifat dapat memotong, menggiling, dan menghaluskan material-material keras lain. Pada sifat termal, keramik memiliki kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, serta konduktivitas termal. Pengertian dari Kapasitas panas bahan yaitu kemampuan dari bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan, energi panas yang diserap akan disimpan oleh benda padat antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) dari atom/ion internal keramik. Kemudian dalam sifat elektrik, keramik memiliki kemampuan sebagai isolator listrik yang baik, bahkan beberapa isolator dari keramik dapat dipolarisasi dan digunakan sebagai bahan untuk kapasitor, bahkan Keramik dengan paduan bahan dasar lain akan menghantarkan elektron bila energi ambangnya tercapai yang disebut sebagai semikonduktor. Beberapa tahunn yang lalu, keramik jenis baru, yakni superkonduktor dengan temperatur kritis yang tinggi ditemukan, dimana keramik jenis ini jika suhu berada di bawah titik kritisnya akan memiliki hambatan 0,keramik yang kemudian disebut sebagai piezoelektrik akan dapat menghasilkan respons listrik akibat adanya tekanan yang bersifat mekanik atau sebaliknya. Dan pada sifat optik, keramik memiliki kemampuan untuk mentransmisikan, mengabsorbsi, dan memantulkan cahaya.
Dari sifat difat yang dimiliki oleh keramik, maka di dalam perkembangan teknologi saat ini keramik dianggap sebagai material alternative yang dapat menjalankan fungsi nya di bidang engineering, medical, otomotif. Pemanfaatan keramik dalam bidang kesehatan (medical), saat ini begitu banyak digunakan sebagai material alternative pengganti logam, senyawa senyawa keramik yang di padukan dengan unsur unsur lain saat ini banyak digunakan untuk pemanfaatan gigi tiruan, bahkan beberapa penelitian yang di lakukan tentang keramik menghasilkan Bio keramik yang digunakan untuk memperbaiki kualitas hidup orang banyak, material ini didisain secara khusus seperti polycrystalline alumina atau hydroxyapatite atau partial stabilized zirconia, gelas keramik (bio-active glass) dan polyethylene-hydroxyapatite composite yang sangat baik digunakan untuk perbaikan, rekontruksi dan penggantian bagian tubuh yang rusak, seperti tulang, sebagai contoh alumina telah digunakan selama lebih dari 20 tahun pada operasi persendian tulang (hip) karena bahan ini mempunyai koefisien gesek yang rendah (low coefficient of friction) dan mempunyai gaya geser yang minim, bahkan dalam bidang surgery keramik saat ini digunakan sebaga material potong bagian tubuh manusia.
Pada bidang kelistrikan keramik digunakan sebagai bahan isolator yang baik, Bahan isolasi berguna sebagai suatu penyekat antara dua buah penghantar yang mempunyai perbedaan tegangan, dimana didalam bahan ini elektron terikat kuat pada atom nukleusnya, sehingga konduksi oleh elektron tidak akan terjadi. Isolator listrik merupakan suatu alat penting yang digunakan pada jaringan listrik. Pemanfaatan pada bidang otomotif keramik digunakan juga sebagai insulator, insulator pada otomotif berfungsi untuk memberikan topangan mekanik bagi inti elektroda yang berada ditengahnya sekaligus sebagai isolator elektrik terhadap tegangan tinggi yang akan mengalir di inti elektroda. Pada komponen gas turbin, keramik digunakan sebagai lapisan ruang bakar dan sudu sudu turbin. Pada komponen furnace , karena sifat termal nya yang baik, keramik digunakan sebagai rekraktori padat. Dibidang nuklir, keramik karena sifat nya banyak digunakan sebagai kapsul gelas, pembungkus fuel nuklir. Pada bidang elektromagnetik saat inikeramik banyak digunakan sebagai elemen magnet, kapasistor, resistor, diode, IC.
Keramik saat ini dianggap menjadi advanced material bagi perkembangan teknologi, Pemanfatan keramik sebagai material pengganti mampu memberikan effesiensi dan efektivitas di bidang material karena sifat-sifat material itu sendiri dianggap cukup bisa diterapkan pada aplikasi teknologi diberbagai bidang. Bahan keramik sangat sesuai digunakan untuk pekerjaan-pekerjaan yang dilakukan pada temperatur, ketahanan aus yang tinggi, sebagai isolator listrik, pada system ketahan karat yang tinggi, dan lain-lain.
(nsp)
